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高鐵是一種現(xiàn)代化的交通工具，具有高速高效、舒適便捷、準(zhǔn)時可靠等特點，乘坐高鐵逐步成為當(dāng)下主流的出行方式之一。在乘車期間，乘客對移動網(wǎng)絡(luò)的需求十分迫切，但由于高鐵有著高移動性的特點，此場景下的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋便成為5G時代的重要課題，面臨著一系列困難和挑戰(zhàn)。本文旨在研究高鐵場景下的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升問題，特別是5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的解決方案；提出采用新一代5G-A 3CC（三載波聚合）技術(shù)，快速推進5G時代高鐵精品網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)“信號升格”、體驗升級。
01、目前我國高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在的問題
中國高鐵如今已處于世界領(lǐng)先地位，龐大而密集的客流帶來了極大的用網(wǎng)需求，但由于高鐵客車運行速度快、車廂狹窄、用戶密集，加之運營商站址資源有限，高鐵通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨以下挑戰(zhàn)。
列車運行速度快，“多普勒效應(yīng)”嚴(yán)重
目前，我國高速鐵路的運行時速在200～350km/h之間。京滬高鐵的設(shè)計時速為350km/h，而上海磁懸浮列車最高時速可達431km/h。列車的高速運行必然會帶來接收信號頻率的變化（多普勒效應(yīng)），且這種“多普勒效應(yīng)”是時變的，從而導(dǎo)致接收機的解調(diào)性能下降。另外，列車的高速運行使得終端穿越蜂窩小區(qū)切換區(qū)域的時間變短，以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時間，從而導(dǎo)致切換失敗，影響用戶的業(yè)務(wù)感知。
信號穿透損耗大，車廂特殊材料加劇信號衰減
高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，廂體采用不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的特殊材料，這導(dǎo)致室外無線信號在高速列車內(nèi)的穿透損耗較大，經(jīng)過實際測試，各種車型的穿透損耗為10dB~33dB。在相同車外電平情況下，車體的損耗越大,意味著車內(nèi)覆蓋面積越小，車內(nèi)電平的下降將導(dǎo)致掉話率、切換成功率、接入成功率等KPI指標(biāo)發(fā)生變化，使網(wǎng)絡(luò)性能下降。
相鄰基站切換頻繁，易導(dǎo)致用戶信號中斷
鐵路線路一般呈線狀或鏈狀分布，與通常的通信基站部署線路有很大不同。按照通常的基站部署方式來覆蓋鐵路沿線，覆蓋范圍將大打折扣，因此鐵路沿線的基站需要呈線狀分布。
場景復(fù)雜多樣，站址資源受限
中國地域遼闊、地形復(fù)雜，山川和河流較多，高鐵運行將穿越城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)、河流等多種場景，甚至包括隧道和橋梁等場景。以京滬高鐵為例，全長1318千米，包含大小橋梁238座、隧道22個，因此要求高鐵通信組網(wǎng)技術(shù)滿足多種場景覆蓋的要求。
話務(wù)量具有突發(fā)特性
鐵路沿線閑時話務(wù)量需求接近于零，列車經(jīng)過時話務(wù)量劇增，導(dǎo)致忙時話務(wù)量與閑時話務(wù)量差距明顯。在兩輛上下行高鐵列車會車的特殊情況下，話務(wù)量會在短時間內(nèi)劇增，導(dǎo)致用戶體驗下降。
綜上所述，隨著高鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，未來高鐵場景下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的挑戰(zhàn)將進一步增加，當(dāng)前急需利用現(xiàn)有寶貴站址及頻譜資源，尋找新的建網(wǎng)規(guī)劃思路，在保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋的前提下，盡可能提升高鐵網(wǎng)絡(luò)容量及乘客體驗。
02、5G-A三載波聚合技術(shù)研究
載波聚合技術(shù)原理研究
5G時代，雙載波聚合技術(shù)（2 C C）已規(guī)模應(yīng)用，該技術(shù)可將頻帶內(nèi)相鄰載波聚合，3.5 G H z頻段聚合200MHz帶寬，2.1GHz頻段聚合40MHz帶寬。在5G-A時代，3CC技術(shù)可實現(xiàn)頻帶外載波聚合（如圖1所示），將3.5GHz頻段200MHz帶寬與2.1GHz頻段40MHz帶寬進行異頻載波聚合，形成“100MHz+100MHz+40MHz的240MHz”大帶寬。
圖1 三載波聚合技術(shù)示意
5G-A三載波技術(shù)特性研究
3CC是5G-A方案中的重要技術(shù)之一，對提升用戶體驗具有重要價值。3CC技術(shù)的應(yīng)用將成為新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要組成部分，其技術(shù)特點如下。
1.FSA及MB-SC技術(shù)應(yīng)用
FSA（靈活頻譜接入）技術(shù)以及MB-SC（多頻段服務(wù)小區(qū)）技術(shù)引入了頻譜池化技術(shù)，使得不同頻段、不同載波、不同時隙的頻譜資源可以從離散到統(tǒng)一管理和調(diào)度，各載波從僅簡單獨立調(diào)度方式升級到跨載波調(diào)度，進一步提升了頻譜利用率。載波獨立調(diào)度與跨載波調(diào)度對比如圖2所示。
圖2 載波獨立調(diào)度與跨載波調(diào)度對比示意
2.業(yè)務(wù)驅(qū)動，快速響應(yīng)
根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀況，可進行智能多載波尋優(yōu)，無論是上行還是下行，都可以實現(xiàn)毫秒級智能選擇最優(yōu)的頻段和載波，形成虛擬大載波，為用戶提供極致體驗，2CC與3CC對比如圖3所示。
圖3 2CC與3CC對比示意
3.SRS載波輪發(fā)
SRS載波輪發(fā)功能可實現(xiàn)全量載波支持SRS，使得UE的上行射頻模塊在PCC和SCC之間以TDM時分輪詢的方式發(fā)送SRS，幫助TDD“下行Only輔載波”獲得SRS信息，改善下行BF性能損失，SRS載波輪發(fā)示意如圖4所示。
圖4 SRS載波輪發(fā)示意
三載波聚合技術(shù)對比研究載波聚合原理允許將多個載波進行聚合形成一個更大的傳輸帶寬，聚合的載波數(shù)量越多，可用的傳輸帶寬就越大，峰值速率也就越高。通過聚合的載波數(shù)量及每載波的帶寬確定總傳輸帶寬，這個帶寬決定了該載波在單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，再通過調(diào)制方式和編碼方案整合得出編碼效率。
綜上所述，通過應(yīng)用3CC技術(shù)可大幅提升高鐵網(wǎng)絡(luò)容量及速率，針對車次較多、客流量較大的京廣、京滬高鐵，可通過部署3CC網(wǎng)絡(luò)提升用戶感知。
03、高鐵5G-A 3CC部署方案
高鐵3CC部署規(guī)劃
選取京廣高鐵石家莊北段總里程約16千米的線路區(qū)間，在已建設(shè)的3.5GHz及2.1GHz站雙層網(wǎng)環(huán)境下，進行“F+T+T 3CC”開通驗證。該線路區(qū)間高鐵列車時速可達310km/h，選取復(fù)興號高鐵列車中間不停車的車次進行測試。
選取直線路段且連續(xù)覆蓋的區(qū)域進行測試研究，可避免因拐角提高入射角而影響測試真實性的問題。測試車型選取京廣高鐵河北石家莊段復(fù)興號“CR400BF”，選擇高鐵當(dāng)前及未來主流車型對建設(shè)高鐵5G-A 3CC網(wǎng)絡(luò)更具前瞻性及參考意義。
高鐵3CC部署方案
高鐵3CC部署堅持高目標(biāo)牽引、成本最優(yōu)原則，最終實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和感知雙提升。綜合考慮BBU集中、RRU部署、天線安裝及軟件開通等方面，本次部署原則如下。
一是高鐵沿線基站采用“小區(qū)合并”方式，優(yōu)先3.5GHz 200MHz及2.1GHz 40MHz同頻小區(qū)分別合并，其次進行3.5GHz及2.1GHz異頻載波聚合；二是BBU 100%放置于綜合架構(gòu)機房，且下掛3CC RRU的3.5GHz和2.1GHz基帶板調(diào)整至共BBU放置；三是RRU拉遠(yuǎn)距離原則上不超過10千米，傳輸前傳方案，充分利舊現(xiàn)網(wǎng)資源情況，以TCO最優(yōu)為原則，靈活采用光纖、前傳波分等解決；四是天線采用多端口寬頻天線，更換高增益天線（19dBi/65度）滿足“3.5GHz 8TR+2.1GHz 4TR”接入；五是5G基站N2/N3/Xn接口傳輸采用UTN承載方式，3CC基站回傳使用25GE接口；六是覆蓋高鐵沿線的基站應(yīng)具有多普勒頻偏補償并做到SRS三載波輪發(fā)。
基于3CC部署原則，在京廣高鐵直線路段部署“FDD NR2.1GHz 4TR+TDD NR3.5GHz 8TR”雙層網(wǎng)絡(luò)，其中2.1GHz為40MHz帶寬，3.5GHz為200MHz帶寬，共計物理站31站。
高鐵3CC測試開通優(yōu)化
本次開通，基站側(cè)“T+F 3CC”頻段組合如下。
小區(qū)頻點配置階段：首先關(guān)閉互斥特性，進行3CC小區(qū)頻點設(shè)計，由頻段內(nèi)連續(xù)CA和頻段間CA組成。
站內(nèi)3CC配置階段：進行站內(nèi)3CC配置，選擇三個5G小區(qū)，設(shè)置NRCell 1對應(yīng)2.1GHz 40MHz，NRCell 2對應(yīng)3.5GHz 100MHz，NRCell 3對應(yīng)3.5GHz 100MHz，在站內(nèi)3CC配置基礎(chǔ)上陸續(xù)開通其余站間站。
優(yōu)化配置階段：首先完成基線峰值優(yōu)化配置步驟中的定點峰值下發(fā)，隨后配置SRS載波輪發(fā)能力及PMI權(quán)值增強，最終連片測試下發(fā)，正式啟動效果測試。
高鐵3CC部署測試結(jié)果分析
在京廣高鐵成功實現(xiàn)連續(xù)3CC覆蓋后，使用3CC 4R終端進行單用戶業(yè)務(wù)體驗測試、多用戶業(yè)務(wù)體驗測試、鎖頻速率測試，驗證在平均站間距470米下，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及用戶體驗的影響，測試分析方案如下。
高鐵通信業(yè)務(wù)具有短時、集中、高話務(wù)特性，在對單用戶業(yè)務(wù)體驗進行研究時，需要排除其他用戶行為對測試結(jié)果的影響。對比京廣高鐵同車次開通3CC路段及未開通3CC路段測試結(jié)果，在開通3CC路段的抖音、騰訊視頻、華為暢聯(lián)三種業(yè)務(wù)全程未出現(xiàn)卡頓。
圖5 測試方案流程示意
在證明開通高鐵3CC后對用戶體驗具有明顯提升作用后，進一步研究每載波對用戶感知速率的變化。本次實驗先進行模型設(shè)計，以滿足1080p高清視頻業(yè)務(wù)體驗下行500Mbit/s、上行100Mbit/s為標(biāo)準(zhǔn)，進行鎖頻高鐵上下行速率測試實驗。通過將沿途站點鎖頻設(shè)置，進行測速軟件測試。在時速310km/h的京廣高鐵列車上進行5G-A三載波聚合技術(shù)商用測試，系統(tǒng)實測速率達1.2Gbit/s，相比傳統(tǒng)部署方式網(wǎng)絡(luò)速率提升近3倍。測試結(jié)果表明只有在開通3CC后，下行及上行平均體驗速率才可滿足高鐵用戶優(yōu)質(zhì)業(yè)務(wù)體驗的標(biāo)準(zhǔn)。
綜上所述，基于對5G-A通信技術(shù)在高鐵建網(wǎng)規(guī)劃的研究，足以證明在用戶對網(wǎng)絡(luò)要求更高、高鐵車型迭代更快、網(wǎng)絡(luò)場景更加復(fù)雜的條件下，5G-A 3CC網(wǎng)絡(luò)部署對于高鐵覆蓋提升具有重要意義。
隨著5G-A時代的來臨，高速、大容量的移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為高鐵信息化建設(shè)的基石，3CC技術(shù)的部署對于高鐵信息化建設(shè)具有重要意義。在高鐵上部署3CC技術(shù)，不僅提升了乘客的網(wǎng)絡(luò)體驗，還為高鐵的信息化建設(shè)提供了強大的技術(shù)支持，有助于推動高鐵智能化、自動化發(fā)展，使高速鐵路交通更加智慧和高效。
*本文刊載于《通信世界》總第944期 2024年5月25日 第10期?原文標(biāo)題：基于5G-A通信技術(shù)的高鐵建網(wǎng)規(guī)劃研
作者：中國聯(lián)通河北省分公司?樊明波
責(zé)編/版式：王禹蓉
審校：王 濤?梅雅鑫
監(jiān)制：劉啟誠
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